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芯片被稱(chēng)為信息產(chǎn)業(yè)的糧食和“大腦"，是信息社會(huì )的基石，在信息化、智能化不斷加快的今天，芯片已經(jīng)成為戰略性、基礎性產(chǎn)業(yè)。可以說(shuō)，芯片作為支撐中國經(jīng)濟持續高質(zhì)量發(fā)展、特別是支撐戰略性新興產(chǎn)業(yè)崛起，其地位更是難以替代。然而，芯片制造是一項極為復雜和精細的工藝，很多重要環(huán)節都需要精密的檢測手段發(fā)現缺陷。本期“專(zhuān)家訪(fǎng)談"欄目邀請半導體顯微技術(shù)大咖、無(wú)錫廣電計量副總經(jīng)理陳振博士，暢談電子顯微技術(shù)在芯片、半導體檢測領(lǐng)域的應用，破解芯片制造難題。
陳 振
無(wú)錫廣電計量副總經(jīng)理
復旦大學(xué)博士，上海“科技創(chuàng )新行動(dòng)計劃"專(zhuān)業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺項目負責人，江蘇省第三代半導體器件性能測試與材料分析工程研究中心副主任，南京大學(xué)和西安電子科技大學(xué)碩士研究生兼職導師，所主持的先進(jìn)制程芯片顯微分析項目獲得2023年度上海市“十項檢驗檢測創(chuàng )新案例"。
精通多種顯微分析技術(shù)，在顯微分析技術(shù)領(lǐng)域擁有近10年的研究積累，主要從事半導體材料及工藝的顯微分析、芯片失效分析等相關(guān)技術(shù)的研究與工程應用工作，具有豐富的為晶圓廠(chǎng)、封裝廠(chǎng)、芯片設計公司等提供半導體分析檢測服務(wù)的經(jīng)驗。參與多項GJ級研究課題，發(fā)表SCI論文及英文論著(zhù)十多篇。
隨著(zhù)集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片結構和功能日益復雜，芯片的制造難度也日益增加，新材料、新工藝的導入為芯片設計、生產(chǎn)和制造帶來(lái)了全新的挑戰，特別是工藝制程不斷迭代，芯片關(guān)鍵結構的尺寸逐漸減小到常規檢測手段無(wú)法觀(guān)測的納米級尺寸。芯片晶圓制造工藝中的微納結構的精準分析，是提升芯片制造良率和產(chǎn)品性能的關(guān)鍵，也成為芯片晶圓制造行業(yè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。
芯片良率就是晶圓上合格芯片數量與芯片總數的比值，這個(gè)數值越大，說(shuō)明有用芯片數量越多，浪費越少，成本也就越低，利潤越高。芯片制造的每一個(gè)階段，從晶圓制造、中測、封裝到成測，每一步都會(huì )對總良率產(chǎn)生影響。
芯片良率如此重要，全行業(yè)都非常關(guān)注，晶圓廠(chǎng)、IC設計企業(yè)、半導體設備和材料廠(chǎng)商，以及行業(yè)科研機構都在進(jìn)行各種研究探索，為提升芯片良率添磚加瓦。在此背景下，分辨率可達到原子尺度的電子顯微技術(shù)，如透射電子顯微鏡（TEM）等，就成為了芯片制造工藝監控、失效分析、良率提升、工藝研發(fā)和失效分析不可少的工具。
人眼的分辨能力大概只能到0.1-0.2mm，光學(xué)顯微鏡的分辨能力大概只能到0.2um左右，如果想觀(guān)察更微小的結構，就需要借助到基于電子顯微技術(shù)的電子顯微鏡去實(shí)現。電子顯微鏡是一種借助電子束作為光源，利用電磁透鏡聚焦成像的科學(xué)儀器。它能讓人看到納米級的微觀(guān)世界，近些年發(fā)展的高分辨透射電子顯微鏡甚至可以讓人看到皮米級的原子像。電子顯微鏡的出現，把人們由宏觀(guān)世界引入到了微觀(guān)世界，極大的促進(jìn)了當代科技的發(fā)展。
在工業(yè)發(fā)展中，電子顯微鏡是工業(yè)的“眼睛"，尤其是高科技相關(guān)領(lǐng)域的工業(yè)應用中，電子顯微鏡可以說(shuō)具有極其重要的地位。電子顯微鏡常見(jiàn)的主要有三種，分別是透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和聚焦離子束電子顯微鏡（FIB）。透射電子顯微鏡（TEM）曾被《科技日報》評為制約我國工業(yè)發(fā)展的35項“卡脖子"技術(shù)之一，可見(jiàn)其在工業(yè)應用中具有舉足輕重的地位。
在芯片領(lǐng)域，為了不斷提升芯片性能，制造商們需要將芯片內部的晶體管陣列設計得如同城市網(wǎng)絡(luò )般復雜紛繁，達到在芯片中容納更多晶體管的目的。因此，晶體管尺寸被設計得越來(lái)越小，它們之間的距離也靠得越來(lái)越近。如此精密的設計與排布，也令到行業(yè)遇到一個(gè)難題：如何才能在不破壞芯片的前提下，去觀(guān)察芯片的內部結構？電子顯微鏡的應用，讓工程師們能夠看清楚芯片的內部結構，確保完工的芯片結構與最初的設計相吻合。
基于電子顯微技術(shù)的電子顯微鏡，如透射電子顯微鏡、聚焦離子束電子顯微鏡等，在半導體制造領(lǐng)域具有非常廣泛的用途，如晶圓制造工藝分析、芯片失效分析、芯片逆向分析等，成為了精準解析先進(jìn)制程晶圓制造工藝中微納結構的關(guān)鍵設備。
在半導體制造領(lǐng)域如芯片的晶圓制造領(lǐng)域，電子顯微鏡通常會(huì )作為新工藝研發(fā)、量產(chǎn)導入驗證、量產(chǎn)工藝監控、量產(chǎn)良率提升和失效分析的分析手段，電子顯微鏡的使用，貫穿于大部分關(guān)鍵的芯片晶圓制造工藝段，如刻蝕、薄膜生長(cháng)等工藝段，可以說(shuō)，電子顯微鏡是工程師的眼睛，工藝監控和調整，時(shí)刻離不開(kāi)電子顯微鏡的輔助。
除了應用在半導體制造領(lǐng)域外，電子顯微鏡還在半導體設備研發(fā)、新材料研發(fā)、新型微納器件研發(fā)制造等領(lǐng)域具有非常廣泛的應用。
在半導體設備研發(fā)領(lǐng)域，尤其是刻蝕設備和薄膜生長(cháng)設備的研發(fā)，電子顯微鏡也充當了工程師的眼睛，是工程師驗證設備性能的關(guān)鍵分析手段。
在新材料研發(fā)領(lǐng)域，如鐵電材料、超導材料、新型電極材料、特種合金材料的研發(fā)等，電子顯微鏡也是關(guān)鍵的分析手段，可以借助電子顯微鏡的電子衍射、電子能量損失譜、電子能譜儀、高分辨成像等從極微觀(guān)的角度來(lái)分析材料的基本特性，包括原子組成、原子構效關(guān)系、晶體結構、微區化學(xué)成分等，從而指導新型材料的研發(fā)。
在新型微納器件研發(fā)制造領(lǐng)域，如半導體器件MEMS、激光器芯片、量子芯片等，電子顯微鏡也是輔助人們進(jìn)行微納結構設計、解剖、性能優(yōu)化和量產(chǎn)良率提升的關(guān)鍵手段。
聚焦顯微分析技術(shù)領(lǐng)域 找準“中國芯"對策
4nm制程晶圓級TEM分析圖
國家正大力攻關(guān)集成電路領(lǐng)域，著(zhù)力解決高級芯片 “卡脖子"問(wèn)題，加快自主創(chuàng )新步伐。廣電計量擁有透射電子顯微鏡（TEM）、雙束聚焦離子束（DB FIB）、掃描電子顯微鏡（SEM）等電子顯微分析常用到的高級設備，在半導體顯微分析相關(guān)領(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗，能夠更好地服務(wù)我國芯片設計及制造企業(yè)，保障自主知識產(chǎn)權安全。
在晶圓制造工藝分析方面，可以提供4nm及以上先進(jìn)制程晶圓制造工藝分析、存儲芯片晶圓制造工藝分析等；
在芯片失效分析方面，可以提供芯片失效點(diǎn)位置微觀(guān)形貌及微區成分分析，包含漏電、短路、燒毀、異物等異常失效點(diǎn)位的平面制樣分析、截面制樣分析以及平面轉截面分析。包含形貌觀(guān)察、尺寸量測、微區成分分析，可精準到1.0 nm以?xún)龋?/span>
在芯片逆向分析方面，可以提供各種半導體器件關(guān)鍵微納結構的解析能力，包括關(guān)鍵工藝結構解剖、尺寸量測、微區結構成分分析等；
在封裝工藝分析方面，可以提供封裝工藝異常分析，如TSV孔、Via孔、RDL布線(xiàn)層、凸點(diǎn)等異常分析；在半導體工藝分析方面，可以提供刻蝕設備工藝、成膜設備工藝的異常分析；
在材料分析方面，可以提供高分辨原子級成像分析、微區材料成分定性分析、晶格缺陷分析、析出相分析等。
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